KR20090033269A - Optical filter matrix structure and associated image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광학 필터링 매트릭스 구조체에 관한 것이며, 본 발명에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an optical filtering matrix structure and to an image sensor comprising the optical filtering matrix structure according to the present invention.
본 발명은 예를 들면 이동 전화기의 소형 카메라 이미지 센서들과 같은 작은 치수의 이미지 센서들을 제조하는데 특히 유리하게 적용될 수 있다. The present invention can be particularly advantageously applied to manufacturing small sized image sensors such as, for example, miniature camera image sensors of mobile phones.
전자 센서로 이미지를 얻는 것은 완전히 개발되어 있다. 센서들의 제조를 단순화시켜야 하는 필요성은 매우 강하게 지속된다. 통상적으로 CCD 센서로 지칭되는 전하 결합 소자는 점진적으로 CMOS 기술의 액티브 픽셀 센서(active pixel sensors)로 교체되고 있으며, 이것은 통상적으로 CMOS APS(Active Pixel Sensor)로 지칭된다. Acquiring images with electronic sensors is fully developed. The need to simplify the manufacture of sensors continues very strongly. Charge-coupled devices, commonly referred to as CCD sensors, are gradually being replaced by active pixel sensors in CMOS technology, which are commonly referred to as CMOS Active Pixel Sensors (APS).
이미지 센서를 위해서 해결되어야 하는 중요한 문제점들중 하나는 칼러를 얻는 것에 관한 것이다. 가시 스펙트럼(레드, 그린, 블루)으로부터 취해진 3 가지 칼러들로 시작하여, 대부분의 칼러들을 기록하고 재생하는 것이 가능하다.One of the important problems that must be solved for an image sensor is to get a color. Starting with three colors taken from the visible spectrum (red, green, blue), it is possible to record and reproduce most colors.
장비의 특정한 부분들은 3 개의 칼러 밴드(color band)들을 분리함으로써 시작되고, 다음에 칼러 밴드들을 3 개의 이미지 센서들을 향하여 지향시킨다. 다른 것들은 검출부들의 단일 매트릭스 표면에서 칼러들을 직접적으로 분리시킨다: 상기 센서들의 제 2 유형이 본 발명에 관련된 것이다. Certain parts of the equipment begin by separating the three color bands and then directing the color bands towards the three image sensors. Others directly separate the collars on the single matrix surface of the detectors: a second type of said sensors relates to the present invention.
상기 제 2 유형의 센서들에 대해서, 2 가지의 선택 사양들이 고려된다. For the second type of sensors, two options are considered.
- 광자를 전자로 변환시키는 것이 수행되는 물질(포토사이트(photosite))에서 상이한 칼러들이 동일한 깊이로 침투되지 않는다는 사실을 구조체의 몇 개 레벨에서 이용하여, 매우 복잡한 검출 매트릭스를 만들거나;At several levels of the structure, using the fact that different colors do not penetrate to the same depth in the material (photosite) in which photons are converted to electrons, to create a very complex detection matrix;
- 또는 검출기들의 매트릭스 표면에서 매트릭스로서 위치된 필터들의 세트를 추가한다. Or adds a set of filters located as a matrix on the matrix surface of the detectors.
제 2 선택(검출기들의 매트릭스의 표면에 매트릭스로서 위치된 필터들의 세트들을 추가함)은 대부분 이용되는 것이다. 가장 표준적인 매트릭스는 통상적으로 바이에르 매트릭스(Bayer matrix)로 지칭되는 매트릭스이다.The second choice (adding sets of filters located as a matrix to the surface of the matrix of detectors) is mostly used. The most standard matrix is the matrix commonly referred to as the Bayer matrix.
바이에르 매트릭스의 예는 상부로부터 도시된 것이 도 1 에 도시되어 있다. 도 1 에 도시된 바이에르 매트릭스는 2 x 2 (2 개 라인 x 2 개 칼럼) 매트릭스이다. 좌측으로부터 우측으로, 열(1) 라인의 필터들은 각각 그린(green) 필터 및 레드(red) 필터이고, 열(2) 라인의 필터들은 각각 블루(blue) 필터 및 그린 필터이다. An example of the Bayer matrix is shown in FIG. 1 as shown from the top. The Bayer matrix shown in FIG. 1 is a 2 × 2 (2 lines × 2 columns) matrix. From left to right, the filters of the
그러한 필터링 매트릭스를 만드는 것은 컬러화된 수지들을 이용함으로써 편리하게 달성된다. 필터링 매트릭스의 제조를 용이하게 하기 위하여, 자외선 조사에 감광성이 있는 수지들을 이용하게 되는데, 그러한 것에서는 격리되지 않았던 곳이 현상조(developing bath)에서 제거될 수 있다. 예를 들면, 종래 기술에 따른 바이 에르 매트릭스를 제조하기 위하여, 수지의 3 개 층들이 연속적으로 증착된다: 하나는 그린을 위한 것이고, 하나는 레드를 위한 것이고, 하나는 블루를 위한 것이다. 각각의 증착에서, 수지들 각각은 마스크를 통해서 격리되고 현상됨으로써 그것이 배치되어야만 하는 곳에만 남아있게 된다. Making such a filtering matrix is conveniently accomplished by using colored resins. In order to facilitate the preparation of the filtering matrix, resins which are photosensitive to ultraviolet irradiation are used, in which such non-isolated areas can be removed in a developing bath. For example, to produce the Bayer matrix according to the prior art, three layers of resin are deposited successively: one for green, one for red and one for blue. In each deposition, each of the resins is isolated and developed through a mask so that it remains only where it should be placed.
도 2 의 개략도는 종래 기술로부터의 APS CMOS 의 단순화된 구조체를 도시한다. CMOS APS 센서는, 감광성 영역(Zph) 및 전자 회로(E1)가 형성되는 표면에 있는, 예를 들면 실리콘인, 감광성 반도체 요소(1), 전기적인 상호 연결부(3)들이 통합되고 전자 회로(E1)를 함께 연결시키는 실리카 층(2), 블루 필터(B), 레드 필터(R) 및 그린 필터(V)를 형성하는 수지 층, 수지의 층(4) 및 마이크로 렌즈(MC)들의 세트를 포함한다. 2 shows a simplified structure of APS CMOS from the prior art. The CMOS APS sensor is integrated with the
이러한 센서 제조 기술은 현재 잘 제어되고 있다. 그러나 이러한 센서의 단점은 적외선을 필터링시키는 것이 불가능하다는 것이다. 따라서 상기의 센서 뒤에, 적외선을 제거하기 위한 다층 간섭 필터가 제공된 유리 시트(glass sheet)를 추가할 필요가 있다. Such sensor manufacturing techniques are currently well controlled. However, a disadvantage of these sensors is that it is impossible to filter the infrared rays. Therefore, behind the sensor, it is necessary to add a glass sheet provided with a multilayer interference filter for removing infrared rays.
더욱이, 수지들은 조밀하지 않으며 충분한 필터링 효과를 얻기 위하여 현재 1 마이크론보다 크거나 1 마이크론에 가까운 수지(resin) 두께를 둘 필요가 있다. 최근의 이미지 센서들의 픽셀들의 크기는 결국 이러한 크기(통상적으로 2 마이크로미터)에 근접하게 된다. 이러한 픽셀 크기는 광선(ray)들이 센서의 표면(이미지의 가장자리 또는 강하게 개방된 대상체)에 강한 입사로써 도달하였을 때 문제를 일으킨다. 실제로, 필터를 통과하도록 허용된 광자들은 이웃하는 필터의 포토사이 트(photosite)에서 광자들의 진행이 끝나게 될 수 있다. 따라서 이러한 현상은 소형화(miniaturization)를 상당히 제한한다. Moreover, the resins are not dense and need to have a resin thickness greater than or close to 1 micron at present to obtain sufficient filtering effect. The size of the pixels of modern image sensors eventually approaches this size (typically 2 micrometers). This pixel size causes problems when the rays arrive with strong incidence on the surface of the sensor (edge of the image or strongly open object). Indeed, photons allowed to pass through the filter may end their progress at the photosite of the neighboring filter. This phenomenon therefore significantly limits miniaturization.
칼러화된 수지들은 또한 용이하게 비균질화되는 것으로 알려져 있다. 따라서 필터링 비균질성은 픽셀들이 작기 때문에 더욱 두드러진다. 이것은 다른 단점을 나타낸다. Colorized resins are also known to be easily homogenized. The filtering heterogeneity is therefore more pronounced because the pixels are small. This presents another disadvantage.
더욱이, 수지가 아닌 흡수성 재료들이 있지만, 그것이 더욱 흡수성이 있다면, 일체화된 포토사이트의 매트릭스를 간단히 제조하는 것과 양립되도록 그 재료들 제조하는데 있어서 그러한 재료들이 많은 문제점을 일으키며, 그러한 제조는 너무 비용이 많이 소요된다. Moreover, although there are absorbent materials other than resins, if they are more absorbent, such materials pose a number of problems in the manufacture of those materials that are compatible with the simple manufacture of a matrix of integrated photosites, and such manufacturing is too expensive. It takes
본 발명은 상기에 언급된 단점들을 가지지 않는다. The present invention does not have the disadvantages mentioned above.
실제로, 본 발명은 적어도 2 개의 기본적인 광학 필터들의 세트로 이루어진 광학 필터링 구조체에 관한 것으로서, 하나의 기본적인 광학 필터는 최적 투과 주파수에 중심을 두고, 광학 필터링 구조체는, 제 1 금속 층과 n 번째의 실질적으로 투명한 층 사이에 번갈아 있는 n 개의 금속층 및 n 개의 실질적으로 투명한 층들의 적층부를 포함하고, n 개의 금속층들 각각은 일정한 두께를 가지고, 적어도 하나의 실질적으로 투명한 층은 가변적인 두께를 가지며, 가변적인 두께는 기본적인 광학 필터의 최적 투과 주파수를 설정하고, n 은 2 보다 크거나 또는 2 와 같은 정수이다.Indeed, the invention relates to an optical filtering structure consisting of a set of at least two basic optical filters, wherein one basic optical filter is centered at an optimal transmission frequency, and the optical filtering structure comprises a first metal layer and an nth substantially And a stack of n metal layers and n substantially transparent layers alternated between transparent layers, each of the n metal layers having a constant thickness, at least one substantially transparent layer having a variable thickness, The thickness sets the optimum transmission frequency of the basic optical filter, where n is an integer greater than or equal to two.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, n=2 이고 오직 하나의 실질적으로 투명한 층이 가변적인 두께를 가지고, 가변적인 두께를 가진 실질적으로 투명한 층은 제 1 금속층과 제 2 금속층 사이에 위치된 실질적으로 투명한 층이다. According to a further feature of the invention, where n = 2 and only one substantially transparent layer has a variable thickness, the substantially transparent layer having a variable thickness is substantially transparent located between the first metal layer and the second metal layer. Layer.
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, n=3 이고, 실질적으로 투명한 2 개의 층들은 가변적인 두께를 가지고, 가변적인 두께를 가진 실질적으로 투명한 제 1 층은 제 1 금속층과 제 2 금속층 사이에 위치된 실질적으로 투명한 층이고, 가변적인 두께를 가진 실질적으로 투명한 제 2 층은 제 2 금속층과 제 3 금속층 사이에 위치되고, 실질적으로 투명한 제 1 층의 두께 변화로부터 초래된 과도 두께(overthickness)는 실질적으로 투명한 제 2 층의 두께 변화로부터 초래된 과도 두께와 실질적으로 적층된다.According to another additional feature of the invention, the two layers which are n = 3 and which are substantially transparent have a variable thickness, and wherein the substantially transparent first layer having the variable thickness is located between the first metal layer and the second metal layer. The substantially transparent second layer, which is a substantially transparent layer and has a variable thickness, is positioned between the second metal layer and the third metal layer, and the overthickness resulting from the thickness change of the substantially transparent first layer is substantially Substantially laminated with the transient thickness resulting from the change in thickness of the transparent second layer.
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, 기본적인 광학 필터들은 매트릭스로서 위치된다. According to another additional feature of the invention, the basic optical filters are located as a matrix.
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, 매트릭스는 레드, 그린 및 블루의 3 개 칼러들을 필터링시키기 위한 바이에르 매트릭스(Bayer matrix) 이다.According to another additional feature of the invention, the matrix is a Bayer matrix for filtering three colors of red, green and blue.
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, 금속 층들은 은(Ag)이다.According to another additional feature of the invention, the metal layers are silver (Ag).
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, 실질적으로 투명한 층들을 만드는 재료는 티타늄 이산화물(TiO2), 실리카(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 하프늄 산화물(HfO2)로부터 선택된다. According to another additional feature of the invention, the material from which the substantially transparent layers are made is selected from titanium dioxide (TiO 2 ), silica (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), hafnium oxide (HfO 2 ).
본 발명은 또한 광학 센서에 관한 것인데, 이것은 광학 필터링 구조체 및, 광학 필터링 구조체가 증착되어 있는 감광성 반도체 기판을 포함하고, 광학 필터링 구조체는 본 발명에 따른 구조체이고, 그것의 제 1 금속층은 반도체 기판의 제 1 면상에 증착되는 것을 특징으로 한다. The invention also relates to an optical sensor, which comprises an optical filtering structure and a photosensitive semiconductor substrate on which the optical filtering structure is deposited, the optical filtering structure being a structure according to the invention, the first metal layer of which is a And deposited on the first side.
본 발명은 광학 필터링 구조체 및, 광학 필터링 구조체가 증착되어 있는 감광성 반도체 기판을 포함하는 광학 센서로서, 광학 필터링 구조체는 본 발명에 따른 구조체이고, 광학 센서는 장벽층을 포함하고, 장벽층의 제 1 면은 반도체 기판의 제 1 면상에 증착되고 장벽층의 제 2 면은 광학 필터링 구조체의 제 1 금속층과 접촉하는 것을 특징으로 한다. The invention is an optical sensor comprising an optical filtering structure and a photosensitive semiconductor substrate on which the optical filtering structure is deposited, the optical filtering structure being a structure according to the invention, the optical sensor comprising a barrier layer, the first layer of the barrier layer A surface is deposited on the first surface of the semiconductor substrate and the second surface of the barrier layer is in contact with the first metal layer of the optical filtering structure.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 장벽층은 광학 필터링 구조체의 실질적으로 투명한 층들을 형성하는 재료와 동일한 재료로 만들어진다. According to a further feature of the invention, the barrier layer is made of the same material as the material forming the substantially transparent layers of the optical filtering structure.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 장벽층은 부분적으로나 또는 전체적으로 전기 도전성이다. According to a further feature of the invention, the barrier layer is partly or wholly electrically conductive.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 장벽층의 재료는, 전기적으로 도전성의 부분들에서 인듐 도핑 주석 산화물(ITO)이고, 전기적으로 비도전성의 부분들에서 실리카(SiO2) 또는 실리콘 질화물(Si3N4)이다. According to a further feature of the invention, the material of the barrier layer is indium doped tin oxide (ITO) in electrically conductive portions and silica (SiO 2 ) or silicon nitride (Si 3 N in electrically nonconductive portions). 4 ).
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 감광성 영역 및 전자적 구성 요소들은 감광성 반도체의 제 1 면상에 형성된다. According to a further feature of the invention, the photosensitive region and the electronic components are formed on the first side of the photosensitive semiconductor.
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, 감광성 영역 및 전자적 구성 요소들은 제 1 면에 반대편인, 감광성 반도체의 제 2 면상에 형성된다. According to another additional feature of the invention, the photosensitive region and the electronic components are formed on the second side of the photosensitive semiconductor, opposite the first side.
투명층들의 변경 및 금속 층들로 이루어진 다층 필터들이, 통상적으로 PBG(Photonic Band Gap)로 지칭되는 포토닉 억제 밴드(photonic forbbiden band)를 가진 구조체를 제조하기 위한 것으로 알려져 있다. 미국 특허 6,262,830 호는 포토닉 억제 밴드를 가진 금속 유전체 투명 구조체를 개시한다.Multilayer filters consisting of altered transparent layers and metal layers are known for producing structures having a photonic forbbiden band, commonly referred to as Photonic Band Gap (PBG). U. S. Patent No. 6,262, 830 discloses a metal dielectric transparent structure having a photonic suppression band.
미국 특허 6,262,930 에 개시된 포토닉 억제 밴드를 가진 금속-유전체 투명 구조체들은, 얇은 금속 층들에 의해 분리되고 절반의 파장에 근접한 두께를 가진 복수개의 투명 유전체 층을 중첩시킨 것으로 이루어진다. 각각의 유전체 층 또는 금속 층의 두께는 균일하다. 이러한 구조체들은 특정 주파수 밴드들을 통과시키고 다른 것들을 차단하도록 설계된다. 이러한 구조체의 단점은, 구조체가 투명해야 하는 것으로 소망되는 영역들을 포함하는 곳에서 광의 일부가 흡수된다는 것이다.Metal-dielectric transparent structures having a photonic suppression band disclosed in US Pat. No. 6,262,930 consist of superimposing a plurality of transparent dielectric layers separated by thin metal layers and having a thickness close to half the wavelength. The thickness of each dielectric layer or metal layer is uniform. These structures are designed to pass certain frequency bands and block others. A disadvantage of this structure is that some of the light is absorbed where it contains areas where the structure is desired to be transparent.
당업자가 예상하지 못한 방식으로, 본 발명은 오직 하나 또는 2 개의 투명층의 두께를 변화시키는 반면에 모든 다른 층들은 일정한 두께로 있으면서, 어떤 특정한 주파수의 투과에 적합화된 광학 필터링 구조체를 제조하는 것으로 보인다. 단면도에 도시된 바와 같이, 가변적인 두께를 가진 투명층(들)은 매트릭스에서의 위치에 따라서 단계별로 변화된다. In a manner unexpected to one skilled in the art, the present invention appears to produce an optical filtering structure adapted for transmission at any particular frequency while varying the thickness of only one or two transparent layers while all other layers are of constant thickness. . As shown in the cross-sectional view, the transparent layer (s) having varying thicknesses vary step by step according to their position in the matrix.
유리하게는, 본 발명에 따른 광학 필터링 구조체, 예를 들면 바이에르 매트릭스는, 매트릭스의 모든 기본적인 광학 필터들이 유용한 파장들의 최소값보다 작은 두께를 가지도록 될 수 있다. Advantageously, the optical filtering structure according to the invention, for example Bayer matrix, can be such that all the basic optical filters of the matrix have a thickness less than the minimum of the useful wavelengths.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예를 읽음으로써 명백해질 것이다.Other features and advantages of the present invention will become apparent by reading the preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 이미 설명된 것으로서, 종래 기술에 따른 바이에르 매트릭스의 평면도를 도시한다.1 shows a plan view of a Bayer matrix according to the prior art as already described.
도 2 는 이미 설명된 것으로서, 종래 기술에 다른 CMOS APS 센서의 단면도를 도시한다.Fig. 2 shows a cross-sectional view of a CMOS APS sensor that has already been described and which is different from the prior art.
도 3 은 본 발명에 따른 광학 필터링 매트릭스의 평면도를 도시한다.3 shows a top view of an optical filtering matrix according to the invention.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체의 2 개의 상이한 축들을 따른 단면도를 도시한다. 4A and 4B show cross-sectional views along two different axes of an optical filtering matrix structure according to a first embodiment of the invention.
도 5 는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체의 광학 필터링의 성능을 도시한다.5 shows the performance of optical filtering of an optical filtering matrix structure according to a first embodiment of the invention.
도 6a 및 도 6b 는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체의 2 개의 상이한 축들을 따른 단면도를 도시한다.6A and 6B show cross-sectional views along two different axes of an optical filtering matrix structure according to a second embodiment of the present invention.
도 7 은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체의 광학 필터링 성능을 도시한다. 7 shows optical filtering performance of an optical filtering matrix structure according to a second embodiment of the present invention.
도 8 은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체를 이용하는 센서 블록 단면도를 도시한다. 8 shows a sensor block cross-sectional view using an optical filtering matrix structure according to a second embodiment of the invention.
도 9 는 본 발명에 따른 제 1 대안의 센서를 도시한다. 9 shows a first alternative sensor according to the invention.
도 10 은 본 발명에 따른 제 1 대안의 센서를 도시한다. 10 shows a first alternative sensor according to the invention.
모든 도면들에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다. In all drawings, the same reference numerals represent the same components.
도 3 은 본 발명의 광학 필터링 매트릭스 구조체(optical filtering matrix structure)에 대한 평면을 도시한다. 위로부터 도시된 바와 같이, 본 발명의 광학 필터링 매트릭스 구조체는 도 1 에 도시된 종래 기술로부터의 기본 구조체를 반복함으로써 얻어진 기하 형상을 가진다. 레드, 그린 및 블루의 칼러들을 각각 선택하기 위한 필터링 셀(filtering cells, R,V,B)들은 서로 옆에 배치된다. 3 shows a plane for the optical filtering matrix structure of the present invention. As shown from above, the optical filtering matrix structure of the present invention has a geometric shape obtained by repeating the basic structure from the prior art shown in FIG. Filtering cells (R, V, B) for selecting colors of red, green and blue are placed next to each other.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체의 단면도를 2 개의 상이한 축들을 따라서 도시한 것이다. 도 3 을 참조하면, 도 4a 는 도 3 의 축(AA)을 따른 단면도이고, 도 4b 는 도 3 의 축(BB)을 따른 단면도이다. 축(AA)은 그린의 광학적 필터(V)들을 대각선으로 절단한다. 축(BB)은 축(AA)에 대하여 직각인 축이며, 대각선의 외측에서 연속적인 블루(B), 그린(V), 레드(R), 그린(V), 블루(B), 그린(V), 레드(R)등의 광학적 필터들을 절단한다. 4A and 4B illustrate a cross sectional view along two different axes of an optical filtering matrix structure according to a first embodiment of the invention. Referring to FIG. 3, FIG. 4A is a sectional view along axis AA of FIG. 3, and FIG. 4B is a sectional view along axis BB of FIG. 3. The axis AA cuts the optical filters V of the green diagonally. The axis BB is an axis perpendicular to the axis AA and is continuous blue (B), green (V), red (R), green (V), blue (B), green (V) on the outside of the diagonal. ), And cut optical filters such as red (R).
이미지 센서는 예를 들면 실리콘인 감광성 반도체 요소(1)를 포함하며, 그곳에는 제 1 금속층(m1), 제 1 투명층(d1), 제 2 금속층(m2) 및 제 2 투명층(d2)이 연속적으로 놓인다. 금속층(m1,m2)을 제조하는데 이용되는 금속은 예를 들면 은(Ag)이고, 투명층(d1,d2)을 제조하는데 이용되는 금속은 예를 들면 유전체로서, 이것은 예를 들면 티타늄 이산화물(TiO2)일 수 있다.The image sensor comprises a
층(d1)은 조절층(adjustment layer)으로서, 조절층의 두께 변화는 필터의 상이한 투과 파장(transmission wavelength)을 변화시키며, 모든 다른 층들은 일정한 두께를 가진다. 따라서 층(d1)의 두께 변화는 블루 칼러(두께(e1)), 그린 칼러(두께(f1)) 및 레드 칼러(두께(g1))의 선택적인 투과에 적합화된다. Layer d1 is an adjustment layer, in which the change in thickness of the adjustment layer changes the different transmission wavelengths of the filter, all other layers having a constant thickness. The thickness change of the layer d1 is thus adapted to the selective transmission of the blue color (thickness e1), the green color (thickness f1) and the red color (thickness g1).
금속층(m1,m2)들이 은(Ag)의 층이고 투명층(d1,d2)들이 티타늄 이산화물(TiO2) 층인 특정의 경우에, 층(m1,m2) 및 층(d2)의 두께는 같으며, 예들 들면 각각 27 nm, 36nm 및 41nm 이고, 층(d1)의 두께는 50 nm 과 90 nm 사이에서 변화되며;즉, 블루에 대하여 52 nm 이고, 그린에 대하여 70 nm 이고, 레드에 대하여 87 nm 이다.In certain cases where the metal layers m1, m2 are layers of silver (Ag) and the transparent layers (d1, d2) are titanium dioxide (TiO 2 ) layers, the thicknesses of layers m1, m2 and d2 are the same, For example 27 nm, 36 nm and 41 nm, respectively, and the thickness of the layer d1 varies between 50 nm and 90 nm; i.e. 52 nm for blue, 70 nm for green and 87 nm for red. .
층들의 두께는 다른 재료들에 대하여 상이한 값을 취할 것이다. 비제한적인 예로서, 금속 층들은 Ag, Al, Au, Nb, Li 로 제작될 수 있고, 투명층들은 TiO2, ITO, SiO2, Si3N4, MgF2, SiON, Al2O3, HfO2 로 제작될 수 있다. 일반적으로, 층(m1,d1,m2,d2)들의 두께는 다층 필터 계산을 위한 알고리듬(algorithms)으로써 계산된다. The thickness of the layers will take different values for different materials. As a non-limiting example, the metal layers can be made of Ag, Al, Au, Nb, Li, and the transparent layers are TiO 2 , ITO, SiO 2 , Si 3 N 4 , MgF 2 , SiON, Al 2 O 3 , HfO 2 can be produced. In general, the thicknesses of layers m1, d1, m2, d2 are calculated as algorithms for multi-layer filter calculations.
도 4a 및 도 4b에 있어서, (그리고 이것은 전체 다른 도면들에 대해서도 마찬가지이다) 층의 두께는 두께 변화를 보다 잘 나타내도록 의도적으로 확대된다는 점이 주목되어야 한다.It should be noted that in FIGS. 4A and 4B (and this is true for all other drawings as well) the thickness of the layer is intentionally enlarged to better represent the thickness change.
도 5 는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 필터링 매트릭스 구조체의 광학적 필터링 성능들을 나타낸다. 이들 곡선들은 도 5 에 도시되어 있는데, 즉, (블루 필터들을 위한) 블루 칼러에 대한 투과 곡선(C1), (그린 필터들을 위한) 그린 칼러에 대한 투과 곡선(C2) 및, (레드 필터들을 위한) 레드 칼러에 대한 투과 곡선(C3)을 나타낸다. 곡선(C1,C2,C3)들은 nm 으로 표시된 파장(λ)에 따른 백분율로서 나타낸 매트릭스 구조체의 투과 계수를 도시한다. 5 shows optical filtering capabilities of a filtering matrix structure according to a first embodiment of the invention. These curves are shown in FIG. 5, that is, the transmission curve C1 for the blue color (for blue filters), the transmission curve C2 for the green color (for green filters), and the red filters (for red filters). ) Transmission curve (C3) for red color. The curves C1, C2, C3 show the transmission coefficients of the matrix structure, expressed as a percentage according to the wavelength [lambda] expressed in nm.
오직 4 개의 층들로써 얻어진 투과 결과들의 우수한 품질(투과는 실질적으로 70 %를 달성) 뿐만 아니라, 900 nm 을 넘는 적외선 파장의 우수한 배제(rejection)도 얻어질 수 있다는 점이 주목되어야 한다. It should be noted that not only the good quality of the transmission results obtained with only four layers (transmission achieves substantially 70%), but also good rejection of infrared wavelengths above 900 nm can be obtained.
더욱이, 광학적 필터들은 근자외선(400 nm)과 적외선(1100 nm) 사이에 하나의 투과 피크(transmission peak)를 나타낸다. 이것은 근적외선(> 800 nm)에서 이미 기생의 투과(parasitic transmission)을 가지는 종래 기술의 유전성 구조체와 비교할 때 유리한 것이다. Moreover, the optical filters exhibit one transmission peak between near ultraviolet (400 nm) and infrared (1100 nm). This is advantageous when compared to the dielectric structures of the prior art, which already have parasitic transmission in near infrared (> 800 nm).
도 6a 및 도 6b 는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 광학적 필터링 매트릭스 구조체의 2 개의 상이한 축들을 따른 단면도를 도시한다. 도 3을 참조하면, 도 6a 는 축(AA)을 따른 단면도이고, 도 6b 는 축(BB)을 따른 단면도이다.6A and 6B show cross-sectional views along two different axes of an optical filtering matrix structure according to a second embodiment of the invention. Referring to FIG. 3, FIG. 6A is a cross sectional view along axis AA, and FIG. 6B is a sectional view along axis BB.
이미지 센서는 감광성 반도체 요소(1), 예를 들면 반도체를 포함하며, 그것에는 3 개의 금속 층(m1,m2,m3) 및 3 개의 투명층(d1,d2,d3)들이 번갈아서 놓이고, 금속층(m1)은 반도체 요소(1)와 접촉된다. 금속층(m1-m3)은 예를 들면 은(Ag)이고, 투명층(d1-d3)은 예를 들면 티타늄 이산화물(TiO2)이다.The image sensor comprises a
층(d1,d2)들은 조절층(adjustment layers)들인데, 이들의 두께 변화는 필터의 상이한 투과 파장들을 설정하며, 모든 다른 층들은 일정한 두께를 가진다. 층(d1)의 두께 변화로부터 초래된 과도한 두께는 층(d2)의 두께 변화로부터 초래된 과도한 두께와 일치한다 (과도한 두께가 쌓이게된다). 층(d3)은 반사 방지 층이다. 층(d1 및 d2)들의 두께 변화는 따라서 상이한 칼러들의 선택적인 투과에 적합화된 다:The layers d1 and d2 are adjustment layers, the thickness change of which sets different transmission wavelengths of the filter and all other layers have a constant thickness. The excess thickness resulting from the thickness change of layer d1 coincides with the excess thickness resulting from the thickness change of layer d2 (excess thickness builds up). Layer d3 is an antireflective layer. The change in thickness of the layers d1 and d2 is thus adapted for the selective transmission of different colors:
- 층(d1)의 두께(e1) 및 층(d2)의 두께(e2)는 블루 칼러의 선택적인 투과를 위해 연관된다;The thickness e1 of the layer d1 and the thickness e2 of the layer d2 are associated for selective transmission of the blue color;
- 층(d1)의 두께(f1) 및 층(d2)의 두께(f2)는 그린 칼러의 선택적인 투과를 위해 연관된다;The thickness f1 of layer d1 and the thickness f2 of layer d2 are associated for selective transmission of the green color;
- 층(d1)의 두께(g1) 및 층(d2)의 두께(g2)는 레드 칼러의 선택적인 투과를 위해 연관된다.The thickness g1 of the layer d1 and the thickness g2 of the layer d2 are associated for selective transmission of the red collar.
은(Ag)으로 만든 금속 층들 및 티타늄 이산화물(TiO2)의 투명 층들의 특정한 경우에, 층(m1, m2, m3 및 d3)들의 두께는 예를 들면 각각 23nm, 39nm, 12nm 및 65nm 이며, 층(d1,d2)들의 두께는 50 nm 와 100 nm 사이에 포함된다, 즉:In the particular case of metal layers made of silver (Ag) and transparent layers of titanium dioxide (TiO 2 ), the thicknesses of the layers m1, m2, m3 and d3 are for example 23 nm, 39 nm, 12 nm and 65 nm, respectively, and the layer The thickness of (d1, d2) is comprised between 50 nm and 100 nm, ie:
이러한 매트릭스 구조체로부터 초래된 투과 스펙트럼은 도 7 에 도시되어 있다. 곡선(D1, D2, D3)들은 nm 으로 표시된 파장(λ)에 따른 백분율로서 나타낸 매트릭스 구조체의 투과 계수(T)를 나타낸다. 3 개의 소망의 칼러들(레드, 그린, 블루)에 대응하는 중앙 파장들에서, 투과는 실질적으로 60 내지 70 % 사이에 포함된다. The transmission spectrum resulting from this matrix structure is shown in FIG. 7. The curves D1, D2, D3 represent the transmission coefficient T of the matrix structure, expressed as a percentage according to the wavelength [lambda] expressed in nm. At central wavelengths corresponding to three desired colors (red, green, blue), transmission is comprised between 60 and 70%.
도 8 은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 광학적 필터링 매트릭스 구조체의 향상된 것에 대한 단면도를 도시한다. 매트릭스 구조체는 여기에서 마이크로 렌즈(MC)들의 세트가 구비되어 있는데, 마이크로 렌즈들은 포토사이트(photosite)에 서 광(L)의 초점을 맞춘다. 알려진 바와 같이, 마이크로 렌즈(MC)들은 평탄화 층(P)상에 배치된다.8 shows a cross-sectional view of an enhancement of an optical filtering matrix structure according to a second embodiment of the invention. The matrix structure is here provided with a set of micro lenses MC, which focus the light L at the photosite. As is known, the micro lenses MC are disposed on the planarization layer P. FIG.
도 6a 및 도 6b 를 참조하여 이미 설명된 요소들인 마이크로 렌즈(MC) 및 평탄화 층(P)에 더하여, 본 발명의 매트릭스 구조체는 장벽 층(b)을 포함하는데, 장벽 층(b)은 반도체(1)를 금속 층(m1)으로부터 보호한다. 장벽 층(b)은 반도체(1)가 금속 층(m1)에 의해 오염되는 것을 방지한다 (금속 이온이 반도체로 이동하는 것에 의한 오염을 방지한다). 예를 들면, 금속이 은(Ag)인 경우에, 실리카 장벽 층 또는 인듐으로 도핑된 주석 산화물(ITO)(인듐 주석 산화물)의 층으로써, 소망되는 보호가 이루어질 수 있다. 실리카 층들의 두께 또는 ITO 층의 두께는 예를 들면 10 nm 와 같다. In addition to the microlenses MC and the planarization layer P, which have already been described with reference to FIGS. 6A and 6B, the matrix structure of the invention comprises a barrier layer b, which is a semiconductor ( 1) is protected from the metal layer m1. The barrier layer b prevents the
장벽층(b)은 비도전성일 수 있거나 (이것은 실리카(SiO2) 및 실리콘 질화물(Si3N4)의 경우이다), 도전성일 수 있거나 (이것은 ITO 의 경우이다), 또는 부분적으로 도전성일 수 있다. 도전성일 때, 장벽 층(b)은 반도체(1)의 표면에서 전극으로서 유리하게 이용될 수 있다. 유리하게는, 장벽 층이 ITO 장벽일 경우에, ITO 는 구조체의 투명 층들을 제조하는데 이용될 수 있는데, ITO 는 투명하다. 층(b, d1, d2, d3)들은 ITO 이고, 층(m1, m2, m3)들은 Ag 이다. 2 개의 재료(Ag 및 ITO)들은 감광성 반도체가 금속과의 접촉으로부터 보호된다는 점에서 본 발명에 따른 구조체를 제조하는데 충분하다. 또한 은(silver)을, 우수한 인덱스 특성들을 가지지만 반도체에 대하여 오염성이 적은 금속 합금으로 대체하는 것도 가능하다.Barrier layer (b) may be non-conductive (this is the case for silica (SiO 2 ) and silicon nitride (Si 3 N 4 )), conductive (this is the case for ITO), or partially conductive. . When conductive, the barrier layer b can advantageously be used as an electrode at the surface of the
도 9 및 도 10 은 본 발명에 따른 2 개의 대안의 광학적 센서들을 도시한다.9 and 10 show two alternative optical sensors according to the invention.
도 9 는 광학 센서를 도시하는데, 여기에서 광은, 감광성 영역(Zph) 및 전자 회로(E1)가 형성되는 감광성 반도체의 면에 도달한다. 이러한 유형의 광학 센서에서, 광은 금속 상호 연결부(3)를 회피하여야 한다. 본 발명의 광학 필터들은 종래 기술의 필터들보다 전체적으로 훨씬 얇다. 필터들을 상호 연결부(3)들 사이에서 감광성 영역(Zph)들에 가능한 한 근접하게 배치하는 것이 유리하다. 따라서, 종래 기술의 대응 구조체와 비교하여 (도 2 와 비교), 광학 센서는 광의 입사에 대하여 보다 낳은 둔감성을 가진다. 9 shows an optical sensor, wherein light reaches the surface of the photosensitive semiconductor on which the photosensitive region Zph and the electronic circuit E1 are formed. In this type of optical sensor, light must avoid the metal interconnects 3. The optical filters of the present invention are much thinner overall than prior art filters. It is advantageous to arrange the filters as close as possible to the photosensitive regions Zph between the
도 10 은 광학 센서를 도시하는데, 여기에서 광은 감광성 영역(Zph) 및 전자 회로(E1)가 형성되는 면에 대하여 반대편인 감광성 반도체의 면에 도달한다. 본 발명의 광학적 필터링 매트릭스는 이러한 유형의 센서에 매우 용이하게 적합화된다. 여기에서, 본 발명의 광학적 센서가 유리하게는 종래 기술의 대응하는 광학적 센서보다 얇은 두께를 가진다. 더욱이, 특정의 적용예들에서, 광학적 필터들의 근접성이 유리하게는 마이크로-렌즈(MC)들이 눌려지는 것을 허용한다. FIG. 10 shows an optical sensor, where light reaches the surface of the photosensitive semiconductor opposite to the surface on which the photosensitive region Zph and the electronic circuit E1 are formed. The optical filtering matrix of the present invention is very easily adapted to this type of sensor. Here, the optical sensor of the present invention advantageously has a thinner thickness than the corresponding optical sensor of the prior art. Moreover, in certain applications, the proximity of the optical filters advantageously allows the micro-lenses MC to be pressed.
특정한 구현예에 따르면, 도 10 에 도시된 센서는 반도체(1)와 제 1 금속층(m1) 사이에 장벽층(b)을 포함하는데, 상기 장벽층에는 전기 도전성 영역(k1) 및 전기 절연성 영역(k2)이 제공된다. 도전성 영역(k1) 및 절연성 영역(k2)은 소망의 위치들에 전기 접촉부가 확립될 수 있게 한다.According to a particular embodiment, the sensor shown in FIG. 10 comprises a barrier layer (b) between the semiconductor (1) and the first metal layer (m1), the barrier layer having an electrically conductive region (k1) and an electrically insulating region ( k2) is provided. The conductive region k1 and the insulating region k2 allow electrical contact to be established at the desired positions.
도 9 및 도 10 에 도시된 2 개의 특정 구조들이 유리하게는 광의 입사 입사 각도와 거의 변하지 않는 투과 스펙트럼(transmission spectrum)을 가진다. 따라 서, 예를 들면, 90 nm 의 필터 대역폭을 가진 그린 필터(TiO2/Ag)는 입사각이 0°내지 40°로 변화될 때 그것의 평균 파장은 실질적으로 20 nm 로써 변화된다. 상대적으로, 이러한 변화는 종래 기술의 다층 필터(SiO2/TiO2)에 대하여 38 nm 이 된다. The two specific structures shown in FIGS. 9 and 10 advantageously have a transmission spectrum that hardly changes with the incident angle of incidence of light. Thus, for example, a green filter (TiO 2 / Ag) having a filter bandwidth of 90 nm changes its average wavelength to substantially 20 nm when the incident angle is changed from 0 ° to 40 °. Relatively, this change is 38 nm for the multilayer filter (SiO 2 / TiO 2 ) of the prior art.
본 발명의 필터링 구조체의 다른 장점은 이들이 전기 도전체인 은(silver) 및 ITO 와 같은 재료로 제작될 수 있어서 필터가 전극의 역할을 할 수 있다는 것이며, 이러한 전극은 하부의 회로(E1, Zph)와 몇 개의 접촉 지점들을 가질 수 있다.Another advantage of the filtering structures of the present invention is that they can be made of materials such as silver and ITO, which are electrical conductors, so that the filter can act as an electrode, and these electrodes are connected to the underlying circuits E1 and Zph. There may be several contact points.
본 발명의 필터링 구조체 및 센서들을 제조하는 기술은 간단하고 마이크로 전자 분야의 통상적인 제조 공정을 이용한다. The technique of manufacturing the filtering structure and sensors of the present invention is simple and utilizes conventional manufacturing processes in the microelectronics art.
선택적으로, 투명층 및 금속층은 진공 스퍼터링에 의해 제조되지만 다른 기술들도 이용할 수 있으며 예를 들면 진공 증착과 같은 것도 이용 가능하다. 증착의 비율을 알게 되는 것에 의해 두께의 제어가 달성된다.Optionally, the transparent layer and the metal layer are manufactured by vacuum sputtering, but other techniques may also be used, such as, for example, vacuum deposition. By knowing the rate of deposition, control of the thickness is achieved.
가변적인 두께의 단일 투명층을 가진 예시적인 광학 필터링 구조체를 제조하기 위한 방법은 이후에 설명될 것이다. A method for manufacturing an exemplary optical filtering structure having a single transparent layer of varying thickness will be described later.
감광성 반도체 기판상에 보호층(SiO2), 금속층(은) 및 투명 재료층(ITO)이 연속적으로 증착된다. 다음에 포토리소그래픽 에칭의 2 개 단계들이 수행된다. 에칭되지 말아야 하는 영역들에 대한 마스킹(masking)은 수지(resin)로 이루어진다. 바람직스럽게는, 에칭이 반응성 이온 에칭으로서 (예를 들면, ITO 를 에칭하기 위한 염소(chlorine) + HBr 개스 하에서) 수행된다. 에칭을 정지시키는 시점은 인터페로메터(interferometer)에 의해서 결정된다. 비제한적인 예로서, 90 nm 의 두께 를 가진 ITO 층으로부터, 그린을 위해서 70 nm 의 ITO 두께를 얻을 수 있고, 블루를 위해서 50 nm 의 두께를 얻을 수 있고, 레드를 위해서는 90 nm 의 최초 두께가 유지된다. 일정한 두께를 가지는 은(Ag) 층 및 ITO 층 각각은 연속적으로 증착된다.A protective layer (SiO 2 ), a metal layer (silver) and a transparent material layer (ITO) are successively deposited on the photosensitive semiconductor substrate. Next two steps of photolithographic etching are performed. Masking of areas that should not be etched is made of resin. Preferably, the etching is performed as reactive ion etching (eg under chlorine + HBr gas for etching ITO). The timing of stopping the etching is determined by an interferometer. As a non-limiting example, from an ITO layer with a thickness of 90 nm, an ITO thickness of 70 nm can be obtained for green, a 50 nm thickness for blue, and an initial thickness of 90 nm for red. maintain. Each of the silver (Ag) layer and the ITO layer having a constant thickness is deposited successively.
가변적인 두께의 2 개의 투명층들을 가진 예시적인 광학 필터링 구조체를 제조하기 위한 방법은 아래에 설명된다. A method for manufacturing an exemplary optical filtering structure with two transparent layers of varying thickness is described below.
그 방법은 가변적인 두께의 단일 투명층에 대하여 위에서 설명된 것과 거의 동일하다:The method is almost identical to that described above for a single transparent layer of varying thickness:
- 3 개의 제 1 층(보호용 SiO2 층, 제 1 Ag 층, 제 1 ITO 층)들을 증착한다;Deposit three first layers (protective SiO 2 layer, first Ag layer, first ITO layer);
- 제 1 ITO 층의 투명 단계부들을 만들기 위해서 2 개의 포토리소그래피-에칭 단계들을 수행한다;Perform two photolithography-etching steps to make transparent steps of the first ITO layer;
- 2 개의 다음 층(제 2 Ag 층, 제 2 ITO 층)들을 증착한다;Deposits two next layers (second Ag layer, second ITO layer);
- 제 2 투명층의 투명 단계부들을 만들기 위해서 2 개의 새로운 포토리소그래피-에칭 단계들을 수행한다;Perform two new photolithography-etching steps to make transparent steps of the second transparent layer;
- 일정한 두께의 2 개의 마지막 층(Ag, ITO)들을 증착한다. Deposit the last two layers (Ag, ITO) of constant thickness.
이전에 이미 언급된 바와 같이, 유리하게는, 단순한 유전체 층보다 보호층을 제조하는 것이 복잡할 수 있는 것이 본 발명에 의해 제공된다. 예를 들면, 만약 초보적인 필터를 도전성 전극으로서 이용하는 것이 의도되었다면, 보호층이 감광성 반도체와 전기 접촉하는 위치들에서 절연성 보호층을 도전성 보호층으로 교체하는 것이 필수적이다. As already mentioned previously, it is advantageously provided by the present invention that manufacturing a protective layer can be more complicated than a simple dielectric layer. For example, if it is intended to use a rudimentary filter as the conductive electrode, it is necessary to replace the insulating protective layer with the conductive protective layer at the positions where the protective layer is in electrical contact with the photosensitive semiconductor.
그러한 층을 2 개의 재료, 예를 들면, 절연성 영역을 제조하기 위한 SiO2 및 도전성 영역을 제조하기 위한 ITO 로써 제조하는 것은 다음의 4 개 단계들로 수행된다:The manufacture of such a layer with two materials, for example SiO 2 for producing insulating regions and ITO for producing conductive regions, is carried out in four steps:
- SiO2 층을 증착한다;Depositing a SiO 2 layer;
- ITO 를 배치하도록 의도된 곳에서 SiO2를 포토리소그래피 및 에칭시킨다;Photolithography and etching SiO 2 where it is intended to place ITO;
- SiO2 층 보다 약간 두꺼운 ITO 층을 증착한다;Depositing an ITO layer slightly thicker than the SiO 2 layer;
- SiO2 의 표면까지 ITO 를 기계 화학적 평탄화(mechano-chemical planarizaton)로 제거한다. ITO is removed by mechano-chemical planarizaton to the surface of SiO 2 .
본 발명은 이미지 센서 분야에 적용될 수 있다. The present invention can be applied to the field of image sensors.
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